JP2014044123A - 接触界面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物における接触界面を効果的に検出する。
【解決手段】被測定物１０に対し超音波の入射波を入射する入射手段（超音波探触子２２）と、入射波により生起された被測定物の表面における複数位置における振動分布を検出する振動分布検出手段（レーザドプラ振動計３０）と、検出された振動分布から入射波の高調波成分を抽出し、抽出した高調波成分の分布状態に基づき、被測定物における接触界面を検出する検出手段（コンピュータ３６）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物における接触界面を検出する接触界面検出装置に関する。

従来、各種物体の検査について、超音波を利用した非破壊検査が知られている。また、その検査結果を可視化することについても提案がある。

例えば、特許文献１では、被検体の表面にパルスレーザ光を照射し、熱励起超音波を発生させ、この超音波を被検体に装着した圧電センサで検出する。そして、検出した波形の振幅値を輝度変調して画像化し、これらの画像を時系列的に連続表示する。これによって、超音波の反射・回折・屈折から対象物の開口き裂などの接触していない界面の検出を行う。

特許文献２では、大振幅の超音波を、超音波探触子を走査しながら対象物に入射し、対象物内部の構造欠陥で発生する高調波を受信して閉口き裂などの画像化を行っている。

特開２００６−３００６３４号公報 特開２００６−６４５７４号公報

特許文献１では、界面での超音波の反射・屈折・回折を可視化し、接触していない界面の検出を行う。しかし、閉口き裂のように接触した界面では前記の現象が発生せず超音波がそのまま透過し伝播状態に変化がないため可視化により確認することができない。

特許文献２では、対象物の特定位置に超音波を入射し、その位置において受信する高調波から対象物の欠陥を検出している。しかし、超音波探触子を走査しながら送信位置に対応した１つの位置での受信波における高調波の振幅を検出しており、測定機器や接触媒質などの接触界面以外から発生する高調波成分を分離することが困難である。

本発明は、被測定物に対し超音波の入射波を入射させる手段と、被測定物の表面の第１位置における、前記入射波の高調波の伝播方向を検出する手段と、被測定物の表面の第２位置における、前記入射波の高調波の伝播方向を検出する手段と、を備え、第１位置における高調波の伝播速度ベクトルと、第２位置における高調波の伝播速度ベクトルが異なる場合に、被測定物における接触界面の位置が、第１位置と第２位置との間にあると検出する。

また、被測定物に対し超音波の入射波を入射する手段と、前記被測定物表面の複数位置における、前記入射波の高調波の分布状態を検出する手段と、前記高調波の分布状態に基づき、被測定物の接触界面の有無を検出する手段と、を備える、ことができる。

また、前記高調波の大きさが所定値以上である場合に、被測定物の接触界面の存在を検出する、ことができる。

また、前記高調波の大きさが前記入射波の大きさよりも大きい場合に、被測定物の接触界面の存在を検出する、ことができる。

また前記高調波の時間的変化に基づいて、被測定物の接触界面の有無を検出する、ことができる。

また、前記高調波の時間的変化に基づいて、前記複数位置における高調波の伝播速度ベクトルを算出し、前記高調波の伝播速度ベクトルに基づいて、被測定物の接触界面の位置を検出する、ことができる。

このように、本発明によれば、被測定物の表面の振動分布データから抽出した高調波成分の状態に基づき、被測定物における接触界面を検出するため、効果的な接触界面の検出が行える。

実施形態に係る接触界面検出装置の構成例を示す図である。 基本波の可視化結果を示す図である。 ２次高調波の可視化結果を示す図である。 接触界面の有無の評価を示す図である。 接触界面の位置評価を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る接触界面検出装置の構成例を示す図である。この例では、被測定物１０は、接触界面を有するアルミニウムブロックである。

超音波発振器２０は高電圧信号を発生し、これを超音波探触子２２に供給する。この高電圧信号は、例えば周波数２．２ＭＨｚ、波数１０サイクルのバースト波である。超音波探触子２２は、公称中心周波数２．２５ＭＨｚ、直径１２ｍｍであり、高電圧信号を受け、超音波を発生し、これを被測定物１０に入射する。この例では、超音波探触子２２は、被測定物１０の側面に接触して配置され、被測定物１０に入射された超音波が被測定物１０中およびその上面を伝播する。

被測定物１０の上面には、再帰反射シート１２が配置されている。そして、その上方には、被測定物１０に斜め上方からレーザ光を照射するレーザドプラ振動計３０が配置されている。再帰反射シート１２は、斜め方向から入射するレーザ光を被測定物１０の表面で反射させると共に、反射レーザ光を入射方向に戻す。

本実施形態において、超音波探触子２２は、被測定物１０の右側面に超音波を入射するため、超音波は、図における左右方向に伸縮を繰り返す縦波として、被測定物１０内および表面を伝播する。レーザドプラ振動計３０から被測定物１０へのレーザ光の入射方向を斜め右もしくは左にすることによって、被測定物１０の表面における左右方向に伸縮する縦波を検出することができる。

レーザドプラ振動計３０は、ＸＹステージ３２に支持されており、レーザドプラ振動計３０を被測定物１０の表面に平行な平面内で移動することで、被測定物１０の表面上の各点の振動を、レーザのドプラシフトを利用して検出する。すなわち、レーザドプラ振動計３０をＸＹステージ３２によってＸＹ方向に移動し、移動点ごとに波形の計測を繰り返し、被測定物１０上面の多点での振動を計測する。このようにして、１つの入射波に対し、多点での振動を計測することができる。従って、少なくとも一方向における、入射波による振動の伝播状態を検出することができる。レーザドプラ振動計３０は、レーザのドプラシフトに応じて反射物体である被測定物１０の表面の速度を検出するが、検出結果は速度を積分した変位などとしてもよい。測定部位における振動についての時間変化の信号を得ることができる。なお、検出する時間は、入射した超音波が被測定物１０の他端で反射する前の時間までとすることが好適である。不要な反射波の影響を考慮しなくてよいからである。また、図においては、レーザドプラ振動計３０について、ブロックの他にＸＹステージ３２上に配置される装置としてのイメージも記載し、両者とも符号３０としてある。物理的に１つであってもよいし、信号処理部を別体としてもよい。

レーザドプラ振動計３０の出力は、ＡＤ変換器３４により、デジタルデータに変換されて、コンピュータ３６に供給される。コンピュータ３６は、通常のパーソナルコンピュータであり、供給される各点の測定データをハードディスクなどの記憶手段に収録する。なお、ＡＤ変換器３４は、超音波発振器２０から供給される同期信号に応じて、適切なタイミングの超音波を選択して、コンピュータ３６に供給する。コンピュータ３６でデータの選択を行ってもよい。同期信号は、コンピュータ３６にも供給され、コンピュータ３６は、超音波の送出タイミングに基づき、超音波の伝播状態などを評価する。

測定点は、例えば、被測定物１０の表面１０ｍｍ×４ｍｍの領域を０．１ｍｍステップの１０１点×４１点＝４１４１点とすることができる。なお、コンピュータ３６は、ＸＹステージ３２の制御、ＡＤ変換器３４から供給されるデータからの高調波の抽出、接触界面の位置検出などを行う。

＜可視化＞
多点で収録した波形の同一時刻における値を並べるとその時刻における空間波形が得られる。各時刻の空間波形を連続表示すると、アルミブロック表面における超音波伝播のアニメーションが得られる。なお、測定は、波数１０サイクルのバースト波を出力し、その後の１点の振動の時間変化を検出することを測定点を移動させて、繰り返す。本実施形態では、アルミブロックの右側面から左側面に向けて超音波を伝播させたが、直交する２方向に順次超音波を伝播させてもよい。さらに、１点に超音波を入射させて、そこから超音波を周囲に伝播させてもよく、その場合、複数点から順次超音波を入射させてもよい。同時に複数の超音波を入射させてもよいが、受信波の解析が複雑になるため、１つの入射波とした方が現実的である。

各受信信号に対し、フィルタにより基本波、２次高調波の信号を抽出し、同様に表示すると、それぞれに対する伝播アニメーションが得られる。なお、表示は、速度０をグレーとして、一方向の最大速度を白、他方向の最大速度を黒として、表示を行う。

＜可視化結果＞
図２は、基本波（超音波探触子２２からの入射波）が接触界面を透過前後の時刻での基本波を示す。上図が基本波の接触界面透過前の状態であり、下図が基本波の接触界面透過後の状態を示している。グレースケールは、振幅の大きな基本波において、−５０ｍＶ〜５０ｍＶを示している。２．２ＭＨｚの基本波に対し、カットオフ周波数が１．１ＭＨｚと３．３ＭＨｚの８次のバターワース型バンドパスフィルタを用い、波形を抽出した。

図２の上図において、接触界面の右側の領域に白黒の縦縞が見られる。これがアルミブロックに入射した入射波である。この図では左側の領域には波（振動）がない。

一方、入射波の接触界面透過後の時刻（図２の下図）においては、左側の領域にも縦縞が見える。すなわち、接触界面を入射波より振幅が小さい波が左側の領域に存在する。これより、入射波が接触界面を透過して、左側の領域に入っていることがわかる。また、界面透過後においては伝播する透過波の振幅は入射波に比べ小さくなり、一方、界面手前では界面で反射した反射波と入射波とが干渉していることがわかる。すなわち、図２の下図の右側領域では干渉によって縦縞が濃くなっている。このように、透過波の振幅が小さいこと、反射波との干渉が生じることから、界面があることが推定されるが、干渉は時間によって変化し、また単なる振幅の大小は検出が難しい。また、入射波が透過しているため、本結果からは接触界面の位置を検出することはできない。

図３は、２次高調波の可視化結果を示す。グレースケールは、振幅が小さな高調波（図３）に対して、−２ｍＶ〜２ｍＶを示している。また、４．４ＭＨｚの２次高調波に対し、カットオフ周波数が３．３ＭＨｚと５．５ＭＨｚの８次のバターワース型バンドパスフィルタを用い、波形を抽出した。

図３の上図において、接触界面の右側の領域に非常に薄い白黒の縦縞が見られる。これがアルミブロックに入射した入射波の高調波成分である。一方、左側の領域には入射波がなく、縞はない。基本波が界面を透過後の時刻（図３の下図）において、界面を境に両側に高調波による縦縞が見られる。この縦縞は、上図の右側領域の縞に比べ濃くなっている。すなわち、被測定物１０であるアルミブロック内部の中央より両側に向かって伝播する様子が得られた。アルミブロック内部で発生し、入射波における２次高調波成分より大きい波であることから、接触界面において発生した２次高調波成分であることが可視化結果から分かる。

このように、被測定物１０の表面を伝播する２次高調波を検出することによって、接触界面の存在を検出することができる。

＜接触界面の有無及び位置評価＞
図４の上図には、基本波が界面を透過した後の時刻での２次高調波の可視化画像を示す。これは、図３の下図と同じものである。また、図４の下図には、図における縦方向（超音波の伝播方向に垂直）の各計測点での高調波の振幅値を積算した値を示す。すなわち、図４の上図の縦縞のそれぞれの位置での積算である。白をマイナス、黒をプラスの振幅として積算している。なお、積算値ではなく、所定数の測定点について移動平均を行い平滑化した値を用いてもよい。

そして、図４の下図において、高調波の積算値が閾値を超えた場合には接触界面が存在すると判断する。なお、閾値としては測定機器内など他の要因で発生する高調波の影響を受けない値を選択する。例えば、図３の上図の右側領域における縦方向の積算値などに基づいて（積算値に数１０％の余裕値を加算するなどして）閾値を算出してもよい。

図５には、図４の上図におけるＡ−Ａ’で示した測定位置における時間変化を示す。縦軸が時間である。図より分かるように、界面位置０である中央部より白の領域および黒の領域が両側に斜め上方に伸びていることがわかる。すなわち、時間経過に従って、振幅の高い部分が左右に伝播していく。この結果において、各時間ごとの振幅の極大値の点を結ぶと点Ｂで交差する。この点が高調波の発生位置つまり接触界面の位置である。すなわち、界面で発生した２次高調波が極大点として左右方向に順次伝播している。この例では、白領域を結んだ線の交点がＢとなっている。また、黒領域も極大点になり、これを結んだ線も左右方向では同じ位置で交差する。このように、複数の極大点を結んだ線を評価することで、検出の精度を向上できる。このように、２次高調波の伝播状態、すなわち各位置における時間変化の状態から、界面位置を検出することができる。このようにして、各点における高調波の伝播方向と伝播速度（速さ）、すなわち伝播速度ベクトルを高調波の分布状態の時間変化から特定することができる。各位置における伝播速度ベクトルに基づいて、接触界面の位置を特定することができる。

さらに、Ａ−Ａ’の位置を変化させながら前記の評価を行うことにより、界面位置を全体として評価することができる。

１０ 被測定物、１２ 再帰反射シート、２０ 超音波発振器、２２ 超音波探触子、３０ レーザドプラ振動計、３２ ＸＹステージ、３４ ＡＤ変換器、３６ コンピュータ。

Claims (6)

1. 被測定物に対し超音波の入射波を入射させる手段と、
   被測定物の表面の第１位置における、前記入射波の高調波の伝播方向を検出する手段と、
   被測定物の表面の第２位置における、前記入射波の高調波の伝播方向を検出する手段と、
   を備え、
   第１位置における高調波の伝播速度ベクトルと、第２位置における高調波の伝播速度ベクトルが異なる場合に、被測定物における接触界面の位置が、第１位置と第２位置との間にあると検出する、
   接触界面検出装置。
2. 被測定物に対し超音波の入射波を入射する手段と、
   前記被測定物表面の複数位置における、前記入射波の高調波の分布状態を検出する手段と、
   前記高調波の分布状態に基づき、被測定物の接触界面の有無を検出する手段と、
   を備える、
   接触界面検出装置。
3. 前記高調波の大きさが所定値以上である場合に、被測定物の接触界面の存在を検出する、
   請求項２に記載の接触界面検出装置。
4. 前記高調波の大きさが前記入射波の大きさよりも大きい場合に、被測定物の接触界面の存在を検出する、
   請求項１または２に記載の接触界面検出装置。
5. 前記高調波の時間的変化に基づいて、被測定物の接触界面の有無を検出する、
   請求項２〜４のいずれか１つに記載の接触界面検出装置。
6. 前記高調波の時間的変化に基づいて、前記複数位置における高調波の伝播速度ベクトルを算出し、前記高調波の伝播速度ベクトルに基づいて、被測定物の接触界面の位置を検出する、
   請求項２〜４のいずれかに１つに記載の接触界面検出装置。